[go: up one dir, main page]

RU2751989C1 - Method and system for protection of optical communication channel in space optical communication systems from flashing with point and extended light sources - Google Patents

Method and system for protection of optical communication channel in space optical communication systems from flashing with point and extended light sources Download PDF

Info

Publication number
RU2751989C1
RU2751989C1 RU2020120672A RU2020120672A RU2751989C1 RU 2751989 C1 RU2751989 C1 RU 2751989C1 RU 2020120672 A RU2020120672 A RU 2020120672A RU 2020120672 A RU2020120672 A RU 2020120672A RU 2751989 C1 RU2751989 C1 RU 2751989C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
modulator
radiation
pixels
ccd matrix
detector
Prior art date
Application number
RU2020120672A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Павел Павлович Гостев
Александр Николаевич Кузнецов
Сергей Александрович Магницкий
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью «Гарант» (ООО «Гарант»)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью «Гарант» (ООО «Гарант») filed Critical Общество с ограниченной ответственностью «Гарант» (ООО «Гарант»)
Priority to RU2020120672A priority Critical patent/RU2751989C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2751989C1 publication Critical patent/RU2751989C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64GCOSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/24Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control
    • B64G1/36Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control using sensors, e.g. sun-sensors, horizon sensors
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B23/00Telescopes, e.g. binoculars; Periscopes; Instruments for viewing the inside of hollow bodies; Viewfinders; Optical aiming or sighting devices

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Astronomy & Astrophysics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)
  • Telescopes (AREA)

Abstract

FIELD: optics.SUBSTANCE: method is comprised of stages wherein an optical laser communication channel is installed, the optical emission is focused by a receiving telescope covered with a highly selective frequency filter with flexible panels of adjustable curvature installed thereon by means of hinge joints controlled by feedback signals from a CCD matrix, the focused emission is divided by a beam splitter into two beams: to the modulator and to the highly sensitive CCD matrix, one pixel of the modulator corresponds with each pixel or group of pixels of the CCD matrix, the signal from the pixels of the CCD matrix is directed to the spatial selection control unit setting the voltage at the pixels of the modulator. If no voltage is applied to the pixels of the modulator, all the radiation reflected from the modulator reaches the detector of the optical communication channel, if the maximum possible voltage is applied to the pixels of the modulator, the radiation therefrom does not reach the detector, if the illumination level at a certain pixel of the CCD matrix exceeds the specified level, a high voltage is applied to the corresponding pixel of the modulator and the radiation therefrom does not reach the detector.EFFECT: ensured possibility of suppressing flashing without introducing stricter requirements for angular accuracy of the guidance and containment system of the optical communication channel.10 cl, 3 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates

Заявленное изобретение относится к способам защиты детектора в системах космической оптической связи от засветки точечными и протяженными источниками света. The claimed invention relates to methods for protecting a detector in space optical communication systems from exposure to point and extended light sources.

Считается, что основными источниками засветки являются:The main sources of flare are believed to be:

1. Точечные источники света – Солнце, Луна, звезды и планеты1. Point light sources - Sun, Moon, stars and planets

2. Протяженные источники света – свечение атмосферы Земли2. Extended light sources - the glow of the Earth's atmosphere

Оно относится также к системе защиты оптического детектора, реализующей данный способ.It also relates to an optical detector protection system that implements this method.

Изобретение применимо, в частности, в области космической оптической связи между двумя космическими аппаратами на низкой околоземной орбите.The invention is applicable, in particular, in the field of space optical communication between two spacecraft in low earth orbit.

Уровень техникиState of the art

Из уровня техники известны способы защиты оптического детектора от засветки протяженными источниками света.Methods for protecting an optical detector from exposure to light from extended light sources are known from the prior art.

Так, в патенте RU2093872С1 описывается светозащитное устройство космических телескопов и аппаратуры наблюдения космических аппаратов от засветок солнечным светом и для защиты отдельных элементов конструкции.Thus, patent RU2093872C1 describes a light-shielding device for space telescopes and spacecraft observation equipment from sunlight exposure and to protect individual structural elements.

Светозащитное устройство космических телескопов содержит тубус и экран, соединенный с приводом, при этом привод выполнен двухстепенным с осями вращения, перпендикулярными друг другу и продольной оси тубуса, а экран соединен с приводом при помощи выносного механизма, который может быть выполнен в виде раздвижной штанги или в виде нескольких шарнирно соединенных звеньев.The light-shielding device of space telescopes contains a tube and a screen connected to the drive, while the drive is made of two-degree with axes of rotation perpendicular to each other and the longitudinal axis of the tube, and the screen is connected to the drive by means of a remote mechanism, which can be made in the form of a sliding rod or in the form of several articulated links.

Данный способ имеет следующие недостатки: This method has the following disadvantages:

- Так как тубус имеет цилиндрическую форму, излучение может рассеиваться от его боковой поверхности в зрачок телескопа приемного устройства.- Since the tube has a cylindrical shape, radiation can be scattered from its lateral surface into the pupil of the receiving telescope.

Из уровня техники известны способы защиты оптического детектора от засветки точечными источниками света.Methods for protecting an optical detector from exposure to point light sources are known in the art.

Из уровня техники известна система приема светового пучка US9689667B2, содержащая матричный детектор. Система также содержит микрозеркальный модулятор, излучение от которого отражается на матричный детектор. Излучение фильтруется микрозеркальным модулятором, управление которым производится по электрическому сигналу с источника излучения в реальном времени.A system for receiving a light beam US9689667B2, containing an array detector, is known from the prior art. The system also contains a micromirror modulator, the radiation from which is reflected to the array detector. The radiation is filtered by a micromirror modulator, which is controlled by an electrical signal from a radiation source in real time.

Данная система имеет следующие недостатки относительно задач космической оптической связи: This system has the following disadvantages in relation to the tasks of space optical communication:

- Управление микрозеркальным модулятором производится по электрическому сигналу с источника излучения. В системах космической связи излучатель значительно удален от приемника, поэтому электрический сигнал от него невозможно использовать напрямую.- The micromirror modulator is controlled by an electrical signal from the radiation source. In space communication systems, the emitter is significantly removed from the receiver, so the electrical signal from it cannot be used directly.

Так, в полезной модели RU169980U1 описывается матричный ослабитель потока оптического излучения, предназначенный для исключения фоновой засветки фоточувствительной поверхности за счет мощного локального ослабления потока оптического излучения от точечных высокоинтенсивных источников света.Thus, the utility model RU169980U1 describes a matrix optical radiation flux attenuator designed to exclude background illumination of a photosensitive surface due to a powerful local attenuation of the optical radiation flux from high-intensity point light sources.

Матричный ослабитель потока оптического излучения содержит входной объектив, матричный оптический затвор, фокусирующую оптическую систему, приемник оптического излучения, схему управления. Между входным объективом и матричным оптическим затвором установлен призменный блок, выполненный в виде призмы полного внутреннего отражения и компенсационной призмы. При этом матричный оптический затвор выполнен в виде цифрового микрозеркального устройства с элементом матрицы в виде микрозеркала, и число элементов матрицы соответствует числу элементов матрицы приемника оптического излучения.The matrix attenuator of the optical radiation flux contains an input lens, a matrix optical shutter, a focusing optical system, an optical radiation receiver, and a control circuit. A prism unit made in the form of a total internal reflection prism and a compensation prism is installed between the input lens and the matrix optical shutter. In this case, the matrix optical shutter is made in the form of a digital micro-mirror device with a matrix element in the form of a micro-mirror, and the number of matrix elements corresponds to the number of matrix elements of the optical radiation receiver.

Данная полезная модель имеет следующие недостатки относительно задач космической оптической связи: This utility model has the following disadvantages in relation to the tasks of space optical communication:

- Быстродействие ПЗС-матрицы недостаточно для организации высокоскоростного канал связи, а использование более высокоскоростных матричных детекторов с пространственным разрешением не оправдано, так как избыточно для задач фильтрации фонового шума и создает чрезмерную нагрузку на электронные системы обработки изображений.- The performance of the CCD matrix is not sufficient for organizing a high-speed communication channel, and the use of higher-speed matrix detectors with spatial resolution is not justified, since it is excessive for the tasks of filtering background noise and creates an excessive load on electronic image processing systems.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Технической проблемой заявленного решения является повышение надежности защиты детектора от засветки точечными и протяженными источниками света. The technical problem of the claimed solution is to improve the reliability of the protection of the detector from illumination by point and extended light sources.

Технический результат заключается в обеспечении возможности подавления засветки без ужесточения требований на угловую точность системы наведения и удержания оптического канала связи.The technical result consists in providing the possibility of suppressing illumination without stricter requirements for the angular accuracy of the guidance and retention system of the optical communication channel.

Указанный технический результат достигается в способе защиты детектора приемного устройства систем оптической космической связи от паразитной засветки точечными и протяженными источниками света и содержит в себе этапы, на которых: оптическое излучение фокусируют приемным телескопом с установленными на нем посредством шарнирных креплений гибкими панелями регулируемой кривизны, сфокусированное излучение делят светоделителем на два пучка: один из них, проходя дальше по оси телескопа передается на модулятор, другой, отражаясь под углом к оси, поступает на высокочувствительную ПЗС-матрицу; задают соответствие между пикселями ПЗС-матрицы и модулятора так, что каждому пикселю или группе пикселей ПЗС-матрицы соответствует один пиксель модулятора; сигнал с пикселей ПЗС-матрицы направляют на блок управления пространственной селекцией, который задает напряжение на пикселях модулятора; устанавливают детектор канала оптической связи таким образом, что если на пиксели модулятора не подается напряжение, все излучение, отраженное от модулятора, попадает на фоточувствительную площадку детектора канала оптической связи; если на пиксели модулятора подается максимально возможное напряжение, то излучение с них не попадает на фоточувствительную площадку указанного детектора, при этом если уровень освещенности на определенном пикселе или группе пикселей ПЗС-матрицы превышает заданный, то на соответствующий пиксель модулятора подают высокое напряжение, и излучение с него не попадает на детектор канала оптической связи.The specified technical result is achieved in the method of protecting the detector of the receiving device of optical space communication systems from parasitic illumination by point and extended light sources and contains the stages at which: optical radiation is focused by the receiving telescope with flexible panels of adjustable curvature installed on it by means of hinged mountings, focused radiation divided by a beam splitter into two beams: one of them, passing further along the axis of the telescope, is transmitted to the modulator, the other, reflected at an angle to the axis, enters a highly sensitive CCD matrix; setting the correspondence between the pixels of the CCD matrix and the modulator so that each pixel or group of pixels of the CCD matrix corresponds to one pixel of the modulator; the signal from the pixels of the CCD matrix is directed to the spatial selection control unit, which sets the voltage on the pixels of the modulator; installing the detector of the optical communication channel in such a way that if no voltage is applied to the pixels of the modulator, all the radiation reflected from the modulator hits the photosensitive area of the detector of the optical communication channel; if the maximum possible voltage is applied to the pixels of the modulator, then the radiation from them does not fall on the photosensitive area of the specified detector, while if the illumination level at a certain pixel or group of pixels of the CCD matrix exceeds the specified one, then a high voltage is applied to the corresponding pixel of the modulator, and the radiation from it does not hit the optical communication channel detector.

Дополнительная особенность заключается в том, что способ содержит дополнительный этап, на котором производят слежение за областями высокой освещенности ПЗС-матрицы компьютерными методами и исключают область, соответствующую излучению передающего лазера системы оптической связи.An additional feature is that the method comprises an additional stage, at which the areas of high illumination of the CCD matrix are monitored by computer methods and the area corresponding to the radiation of the transmitting laser of the optical communication system is eliminated.

Дополнительная особенность заключается в том, что в качестве модулятора используется микрозеркальный модулятор.An additional feature is that a micromirror modulator is used as a modulator.

Дополнительная особенность заключается в том, что в качестве модулятора используется пространственный модулятор света на жидких кристаллах.An additional feature is that a liquid crystal spatial light modulator is used as a modulator.

Дополнительная особенность заключается в том, что подвижные плоские пластины регулируемой кривизны управляются по сигналу обратной связи с ПЗС-матрицы.An additional feature is that the movable flat plates of adjustable curvature are controlled by the feedback signal from the CCD matrix.

Дополнительная особенность заключается в том, что светоделитель делит излучение на пучки неравной интенсивности.An additional feature is that the beam splitter divides the radiation into beams of unequal intensity.

Дополнительная особенность заключается в том, что светоделитель делит излучение на пучки равной интенсивности.An additional feature is that the beam splitter divides the radiation into beams of equal intensity.

Указанный технический результат достигается также с помощью системы защиты оптического детектора, реализующая заявленный способ, содержащая: фокусирующий излучение приемный телескоп (2) с установленным на объектив узкополосным интерференционным фильтром и установленными посредством шарниров гибкими панелями регулируемой кривизны (1), светоделитель (3), осуществляющий разделение сфокусированного излучения на два пучка, ПЗС-матрицу (4) на которую поступает первый пучок излучения из указанного светоделителя (3), блок управления пространственной селекцией (7), на который передается сигнал с ПЗС-матрицы (4), модулятор (6), получающий управляющий сигнал с блока управления пространственной селекцией (7) и оптический детектор канала оптической связи (5), на который передается второй пучок излучения, переданный из указанного светоделителя (3) и отраженный от модулятора (6).The specified technical result is also achieved with the help of an optical detector protection system, which implements the claimed method, comprising: a focusing radiation receiving telescope (2) with a narrow-band interference filter mounted on the lens and flexible panels of adjustable curvature installed by means of hinges (1), a beam splitter (3) performing dividing the focused radiation into two beams, the CCD matrix (4), which receives the first radiation beam from the specified beam splitter (3), the spatial selection control unit (7), to which the signal from the CCD matrix (4) is transmitted, the modulator (6) receiving a control signal from the spatial selection control unit (7) and an optical detector of the optical communication channel (5), to which the second radiation beam is transmitted, transmitted from the specified beam splitter (3) and reflected from the modulator (6).

Дополнительная особенность заключается в том, что в качестве модулятора используется микрозеркальный модулятор.An additional feature is that a micromirror modulator is used as a modulator.

Дополнительная особенность заключается в том, что поверхность зеркал микрозеркального модулятора установлена таким образом, чтобы она совпадала с фокальной плоскостью объектива телескопа.An additional feature is that the surface of the mirrors of the micromirror modulator is set so that it coincides with the focal plane of the telescope objective.

Дополнительная особенность заключается в том, что вместо микрозеркального модулятора используется пространственный модулятор света на жидких кристаллах.An additional feature is that a liquid crystal spatial light modulator is used instead of a micromirror modulator.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Заявленное изобретение поясняется с использованием чертежей:The claimed invention is illustrated using the drawings:

Фиг.1 - структурная схема системы защиты детектора, где:Fig. 1 is a block diagram of the detector protection system, where:

1 - гибкие панели регулируемой кривизны , 1 - flexible panels of adjustable curvature,

2 - приемный телескоп2 - receiving telescope

3 - светоделитель 3 - beam splitter

4 - ПЗС-матрица 4 - CCD-matrix

5 - детектор канала оптической связи 5 - optical communication channel detector

6 - модулятор6 - modulator

7 - блок управления пространственной селекцией7 - spatial selection control unit

Фиг.2 – схема работы системы защиты детектора от засветки со стороны атмосферыFig. 2 is a diagram of the operation of the system for protecting the detector from illumination from the atmosphere.

Фиг.3 – схема работы системы защиты детектора от засветки со стороны Солнца, Луны, звезд и планетFig. 3 is a diagram of the operation of the detector protection system against illumination from the side of the Sun, Moon, stars and planets

Устройство предназначено для борьбы с засветками от Солнца, Луны и звезд при работе оптических линий связи между космическими аппаратами. Устройство может быть использовано и при полетах в атмосфере.The device is designed to combat flares from the Sun, Moon and stars when optical communication lines between spacecraft are operating. The device can also be used for atmospheric flights.

Для подавления засветки от протяженного источника света, атмосферы, используется конструкция из гибких панелей с регулируемой кривизной, предназначенная для формирования геометрической тени на объективе телескопа при попадании на него рассеянного от панелей излучения минимальной интенсивности (фиг.2).To suppress the illumination from an extended light source, the atmosphere, a structure of flexible panels with adjustable curvature is used, designed to form a geometric shadow on the telescope objective when it hits it scattered from the panels of radiation of minimum intensity (Fig. 2).

Для подавления засветки от точечных источников света, Солнца, Луны, звезд и планет, используется оптическая схема на основе микрозеркального модулятора света для пространственно селективного подавления излучения таких источников (фиг.3).To suppress illumination from point light sources, the Sun, Moon, stars and planets, an optical scheme based on a micro-mirror light modulator is used for spatially selective suppression of radiation from such sources (Fig. 3).

Обычно для подавления засветки от удаленных источников света используется частотная и угловая фильтрация. Данное изобретение позволяет усовершенствовать систему угловой фильтрации. Обычно угловая фильтрация осуществляется с помощью оптической системы, выполняющей роль телескопа, устроенной так, что внутри системы имеется фокальная плоскость, на которую изображения от отдаленных светящихся объектов фокусируются в виде небольших светящихся точек. Так как звезды, Солнце и Луна находятся на большом расстоянии то их изображение в фокальной плоскости будет точечным. Это позволяет выделить с помощью диафрагмы лазерное излучение, идущее от спутника связи. Действительно, в фокальной плоскости оптической системы излучение от отдаленных объектов, которые расположены под разными углами к оси оптической системы будет фокусировано в различные места фокальной плоскости в зависимости от их углового положения. Поэтому появляется возможность поставить диафрагму (небольшое отверстие) в месте фокальной плоскости, где проходит полезное излучение, перекрыв тем самым доступ в дальнейшую часть оптической системы излучению от нежелательных источников засветки. Однако, такой способ обладает существенным недостатком — при движении спутника и светящихся объектов фокальные пятна как от лазерного источника, так и от отдаленных источников засветки смещаются по фокальной плоскости, что неизбежно приводит к требованию жесткой стабилизации летательного объекта в пространстве и как следствие резкому усложнению и удорожанию системы удержания канала оптической связи.Typically, frequency and angle filtering is used to suppress backlight from distant light sources. This invention makes it possible to improve the corner filtration system. Usually, angular filtering is carried out using an optical system that acts as a telescope, designed so that there is a focal plane inside the system, onto which images from distant luminous objects are focused in the form of small luminous points. Since the stars, the Sun and the Moon are at a great distance, their image in the focal plane will be point-like. This allows you to select with the help of a diaphragm laser radiation coming from the communication satellite. Indeed, in the focal plane of the optical system, radiation from distant objects that are located at different angles to the axis of the optical system will be focused to different places in the focal plane, depending on their angular position. Therefore, it becomes possible to place a diaphragm (a small hole) in the place of the focal plane, where the useful radiation passes, thereby blocking the access to the further part of the optical system for radiation from unwanted light sources. However, this method has a significant drawback - when the satellite and luminous objects move, the focal spots both from the laser source and from distant light sources are displaced along the focal plane, which inevitably leads to the requirement for rigid stabilization of the flying object in space and, as a consequence, a sharp increase in complexity and cost optical communication channel retention systems.

Предлагаемый способ и система на его основе позволяет нейтрализовать влияние колебаний и вибраций летательного аппарата на эффективность подавления засветки без ужесточения требований на угловую точность системы наведения и удержания оптического канала связи. Для этой цели в устройство вводится дополнительный элемент — микрозеркальный пространственный модулятор (Digital micromirror device, DMD), состоящий из матрицы с большим количеством микрозеркал, каждое из которых может независимо поворачиваться по команде с компьютера. Поверхность зеркал микрозеркального модулятора устанавливается таким образом, чтобы она совпадала с фокальной плоскостью объектива. Если микрозеркала не повернуты, то его зеркальная плоскость действует как обычное зеркало. При этом в некоторых местах зеркальной поверхности будут видны светящиеся точки, являющиеся изображениями объектов засветки и передатчика лазерной системы оптической связи. Компьютер определяет положения этих светящихся точек, формирует команды для поворота микрозеркал, в соответствии которыми микрозеркала, на которые попали светящиеся точки, соответствующие источникам засветки, поворачиваются, и излучение засветки не проходит дальше на детектор системы связи. Если при движении аппарата светящиеся точки от объектов засветки смещаются, то система слежения отслеживает их перемещения, компьютер формирует команды для поворота уже других, засвеченных, микрозеркал. Эти микрозеркала поворачиваются, а ранее повернутые возвращаются в исходное положение. Так как этот процесс динамический и происходит в реальном времени, то при изменении ориентации аппарата угловая фильтрация сохраняется.The proposed method and a system based on it makes it possible to neutralize the influence of vibrations and vibrations of the aircraft on the efficiency of suppressing illumination without stricter requirements for the angular accuracy of the guidance and retention system of the optical communication channel. For this purpose, an additional element is introduced into the device - a digital micromirror device (DMD), consisting of a matrix with a large number of micromirrors, each of which can be independently rotated by a command from a computer. The surface of the mirrors of the micromirror modulator is set so that it coincides with the focal plane of the lens. If the micromirrors are not rotated, then its mirror plane acts like an ordinary mirror. In this case, in some places of the mirror surface, luminous points will be visible, which are images of objects of illumination and the transmitter of the laser optical communication system. The computer determines the positions of these luminous points, generates commands for turning the micromirrors, according to which the micromirrors, which have been hit by the luminous points corresponding to the light sources, rotate, and the light radiation does not pass further to the detector of the communication system. If during the movement of the apparatus the luminous points from the objects of illumination are displaced, then the tracking system tracks their movements, the computer generates commands for turning other, already illuminated, micromirrors. These micromirrors are rotated, and the previously rotated ones return to their original position. Since this process is dynamic and occurs in real time, angular filtration is preserved when the orientation of the apparatus is changed.

Система защиты детектора от засветки со стороны точечных источников света работает следующим образом (фиг.1). The system of protection of the detector from illumination from the side of point light sources works as follows (figure 1).

Оптическое излучение фокусируют приемным телескопом с установленными на нем посредством шарнирных креплений гибкими панелями регулируемой кривизны. Излучение в оптической системе перед фокальной плоскостью разделяется: основная его часть проходит через светоделитель (3) и фокусируется в фокальной плоскости; оставшаяся часть фокусируется в вспомогательной фокальной плоскости. В эту вспомогательную фокальную плоскость помещается ПЗС-матрица (4) или любой другой матричный приемник.Optical radiation is focused by a receiving telescope with flexible panels of adjustable curvature mounted on it by means of hinged mountings. Radiation in the optical system in front of the focal plane is divided: its main part passes through the beam splitter (3) and is focused in the focal plane; the remainder is focused on the auxiliary focal plane. This auxiliary focal plane accommodates the CCD (4) or any other array receiver.

Задают соответствие между пикселями ПЗС-матрицы и модулятора так, что каждому пикселю или группе пикселей ПЗС-матрицы соответствует один пиксель модулятора; сигнал с пикселей ПЗС-матрицы направляют на блок управления пространственной селекцией, который задает напряжение на пикселях модулятора; устанавливают детектор канала оптической связи таким образом, что если на пиксели модулятора не подается напряжение, все излучение, отраженное от модулятора, попадает на фоточувствительную площадку детектора канала оптической связи; если на пиксели модулятора подается максимально возможное напряжение, то излучение с них не попадает на фоточувствительную площадку указанного детектора, при этом если уровень освещенности на определенном пикселе или группе пикселей ПЗС-матрицы превышает заданный, то на соответствующий пиксель модулятора подают высокое напряжение, и излучение с него не попадает на детектор канала оптической связи.The correspondence between the pixels of the CCD matrix and the modulator is set so that each pixel or group of pixels of the CCD matrix corresponds to one pixel of the modulator; the signal from the pixels of the CCD matrix is directed to the spatial selection control unit, which sets the voltage on the pixels of the modulator; installing the detector of the optical communication channel in such a way that if no voltage is applied to the pixels of the modulator, all the radiation reflected from the modulator hits the photosensitive area of the detector of the optical communication channel; if the maximum possible voltage is applied to the pixels of the modulator, then the radiation from them does not fall on the photosensitive area of the specified detector, while if the illumination level at a certain pixel or group of pixels of the CCD matrix exceeds the specified one, then a high voltage is applied to the corresponding pixel of the modulator, and the radiation from it does not hit the optical communication channel detector.

Так как распределение изображений источников света в главной и вспомогательной фокальных плоскостях тождественны или подобны, то по изображению, сформированном на матричном приемнике, можно определить, какие из микрозеркал микрозеркального модулятора засвечены, и подать соответствующие команды для их поворота. Таким образом, предлагаемое конструкторско-техническое решение обеспечивает эффективное непрерывное подавление засветки при любом изменении относительного положения источников засветки и положения космических аппаратов, обеспечивающих оптическую связь.Since the distribution of images of light sources in the main and auxiliary focal planes are identical or similar, it is possible to determine which of the micromirrors of the micromirror modulator are illuminated from the image formed on the matrix receiver and issue the appropriate commands to rotate them. Thus, the proposed design and technical solution provides effective continuous suppression of illumination at any change in the relative position of the sources of illumination and the position of spacecraft providing optical communication.

В качестве примера можно рассмотреть следующий случай. Пусть космический аппарат (КА) находится на орбите Земли и устанавливает оптический канал связи с другим КА. Приемный телескоп КА (2) направлен точно на источник оптического сигнала, а направление на Солнце входит в его поле зрения. Телескоп покрыт высокоселективным частотным фильтром, подавляющим все длины волн за исключением узкого диапазона значений около несущей длины волны излучения оптического передатчика системы связи. Тогда в обычной диафрагменной системе угловой фильтрации радиус диафрагмы уменьшается до тех пор, пока прямое солнечное излучение не перестанет попадать на детектор. Это уменьшает поле зрения телескопа, повышает требования на точность наведения телескопа на источник оптического сигнала, усугубляя тем самым влияние вибраций и колебания КА на стабильность канала связи.As an example, consider the following case. Let the spacecraft (SC) be in the Earth's orbit and establish an optical communication channel with another SC. The receiving telescope of the spacecraft (2) is directed exactly to the source of the optical signal, and the direction to the Sun enters its field of view. The telescope is covered with a highly selective frequency filter that suppresses all wavelengths except for a narrow range of values near the carrier wavelength of the optical transmitter of the communication system. Then, in a conventional angular filtration diaphragm system, the radius of the diaphragm decreases until the direct solar radiation ceases to fall on the detector. This reduces the field of view of the telescope, increases the requirements for the accuracy of pointing the telescope to the source of the optical signal, thereby aggravating the effect of vibrations and spacecraft oscillations on the stability of the communication channel.

В предлагаемом изобретении область, на которой сконцентрировано излучение Солнца, исключается поворотом микрозеркал, соответствующих засвеченным Солнцем пикселей ПЗС-матрицы (4). А именно, блок управления пространственной селекцией (7) считывает информацию об освещенности каждого пикселя ПЗС-матрицы (4) и поворачивает в выключенное положение те микрозеркала модулятора (6), которые соответствуют пикселям с высоким уровнем засветки Солнцем. Таким образом, поле зрения телескопа не уменьшается, и требуемая угловая точность наведения и удержания оптического канала не растет, тем самым вибрации и колебания КА не влияют на стабильность канала связи сильнее, чем в отсутствие солнечной засветки.In the proposed invention, the area on which the radiation of the Sun is concentrated is excluded by turning the micromirrors corresponding to the pixels of the CCD matrix illuminated by the Sun (4). Namely, the spatial selection control unit (7) reads information about the illumination of each pixel of the CCD matrix (4) and turns to the off position those micromirrors of the modulator (6) that correspond to pixels with a high level of solar illumination. Thus, the field of view of the telescope does not decrease, and the required angular accuracy of pointing and holding the optical channel does not increase; thus, vibrations and vibrations of the spacecraft do not affect the stability of the communication channel more than in the absence of solar illumination.

В околоземном пространстве существует несколько основных источников оптических шумов: Солнце (интенсивность шума 0.193мВт/кв.см./нм, Taylor M. IKONOS planetary reflectance and mean solar exoatmospheric irradiance //Space Imaging Inc.: Thornton, Colorado. – 2005.), Луна (интенсивность шума около 1e-6 мВт/кв.см./нм Karp S. et al. (ed.). Optical channels: fibers, clouds, water, and the atmosphere //Springer Science & Business Media. – 2013.), Земля (шум порядка 40% от солнечного, см. Nahar S. N. Solar Irradiance of the Earth’s Atmosphere //Climate Change and Food Security in South Asia. – Springer, Dordrecht, 2010. – С. 31-42.). Шум от планет слабее шума от Луны еще на 4 порядка, поэтому не учитывается.There are several main sources of optical noise in near-Earth space: the Sun (noise intensity 0.193 mW / cm / nm, Taylor M. IKONOS planetary reflectance and mean solar exoatmospheric irradiance // Space Imaging Inc .: Thornton, Colorado. - 2005.) , Moon (noise intensity about 1e-6 mW / cm2 / nm Karp S. et al. (Ed.). Optical channels: fibers, clouds, water, and the atmosphere // Springer Science & Business Media. - 2013 .), Earth (noise of the order of 40% of the solar, see Nahar SN Solar Irradiance of the Earth's Atmosphere // Climate Change and Food Security in South Asia. - Springer, Dordrecht, 2010. - pp. 31-42.). The noise from the planets is weaker than the noise from the Moon by another 4 orders of magnitude, so it is not taken into account.

Рассчитаем максимально возможный шум. Суммарно интенсивность шума будет порядка 0.27 мВт/кв.см./нм, что при пересчете в число фотонов составляет 4.3e15 1/с/нм. Так как мы работаем на частоте 1 ГГц, то на 1 такт будет приходиться 4.3e6 1/нм/нс шумовых фотонов. При использовании предлагаемой нами системы пространственной фильтрации на основе DMD можно снизить мощность шума минимум на 95% (отрезая его по уровню около 1% по мощности) с учетом конечного размера пикселя CCD-камеры и DMD, то есть 2.17e5 1/нм/нс, что может входить в динамический диапазон детектора оптической связи (например, твердотельного фотоумножителя).Let's calculate the maximum possible noise. The total noise intensity will be about 0.27 mW / cm2 / nm, which, when converted to the number of photons, is 4.3e15 1 / s / nm. Since we work at a frequency of 1 GHz, there will be 4.3e6 1 / nm / ns noise photons per clock cycle. When using our proposed spatial filtering system based on DMD, it is possible to reduce the noise power by at least 95% (cutting it off at a level of about 1% in power), taking into account the final pixel size of the CCD camera and DMD, that is, 2.17e5 1 / nm / ns, which may be included in the dynamic range of an optical communication detector (for example, a solid-state photomultiplier tube).

Мы считаем, что шум имеет гауссовское распределение мощности, и можно сдвинуть зашумленный сигнал так, чтобы среднее шума было бы равно 0, поэтому собственно амплитудой шума за один такт можно считать дисперсию его среднего, а именно

Figure 00000001
1/нс.We assume that the noise has a Gaussian power distribution, and it is possible to shift the noisy signal so that the mean of the noise is equal to 0, therefore, the actual amplitude of the noise per clock cycle can be considered the variance of its mean, namely
Figure 00000001
1 / ns.

Таким образом, предлагаемая система фильтрации может обеспечить работу приемника оптической информации против Солнца, однако уровень ошибки при такой работе требует отдельного расчета. Так, в работе (Песков С. Н., Ищенко А. Е. Расчет вероятности ошибки в цифровых каналах связи //Теле-спутник. – 2010. – №. 11. – С. 70.) приводится формула для битовой ошибки (20), которую для бинарной импульсной кодировки можно переписать следующим образом:Thus, the proposed filtering system can ensure the operation of the optical information receiver against the Sun, however, the error level in this operation requires a separate calculation. So, in the work (Peskov S.N., Ishchenko A.E. Calculation of the error probability in digital communication channels // Tele-satellite. - 2010. - No. 11. - P. 70.) provides a formula for the bit error (20 ), which for binary pulse encoding can be rewritten as follows:

Figure 00000002
Figure 00000002

Здесь

Figure 00000003
— энергия сигнального импульса, а
Figure 00000004
— спектральная плотность шума. Так как полоса приемника ок. 1 нм, будем считать, что
Figure 00000004
— энергия шума на такт. Положим энергию сигнального импульса равной 1000 фот., а амплитуда шума равна 1.75е2 фот./с, то
Figure 00000005
, откудаHere
Figure 00000003
Is the signal pulse energy, and
Figure 00000004
Is the spectral density of the noise. Since the receiver bandwidth is approx. 1 nm, we will assume that
Figure 00000004
Is the noise energy per clock cycle. We put the signal pulse energy equal to 1000 photons, and the noise amplitude is equal to 1.75e2 phot / s, then
Figure 00000005
, where

Figure 00000006
Figure 00000006

Известные алгоритмы исправления ошибки (коды Рида-Соломона, турбокоды, сверточные коды и т.д. Sklar B. Reed-solomon codes – 2001. – С. 1-33.) полностью (до BER ≤ 1e-20) восстанавливают информацию при физической ошибке канала BER ≤ 1e-4.Well-known error correction algorithms (Reed-Solomon codes, turbo codes, convolutional codes, etc. Sklar B. Reed-solomon codes - 2001. - P. 1-33.) Completely (up to BER ≤ 1e-20) restore information at physical channel error BER ≤ 1e-4.

Таким образом, для преодоления недостатков аналогов изобретения RU2093872С1 в заявленном изобретении используются подвижные гибкие пластины с регулируемой кривизной на шарнирных креплениях, управляемые по сигналам обратной связи с ПЗС-матрицы.Thus, to overcome the disadvantages of the analogues of the invention RU2093872C1, the claimed invention uses movable flexible plates with adjustable curvature on hinged mountings, controlled by feedback signals from the CCD matrix.

Для преодоления недостатка системы US9689667B2 используется ПЗС-матрица для формирования обратной связи для управления микрозеркальным модулятором без прямого электрического соединения с источником излучения.To overcome the disadvantage of the US9689667B2 system, a CCD array is used to provide feedback to control the micromirror modulator without a direct electrical connection to the radiation source.

Для преодоления недостатка полезной модели RU169980U1 излучение после приемного телескопа делится на два пучка, один из которых формирует изображение на ПЗС-матрице, сигнал с которой обрабатывается блоком управления пространственной селекцией, который формирует управляющие сигналы для микрозеркального модулятора. Другой пучок отражается от микрозеркального модулятора и поглощается детектором оптической связи, предназначенным для приема информационного сигнала. Следовательно, для фильтрации излучения используется ПЗС-матрица с малым быстродействием, а для приема информации быстродействующий детектор оптической связи.To overcome the drawback of the RU169980U1 utility model, the radiation after the receiving telescope is divided into two beams, one of which forms an image on the CCD matrix, the signal from which is processed by the spatial selection control unit, which generates control signals for the micromirror modulator. Another beam is reflected from the micromirror modulator and absorbed by an optical communication detector designed to receive the information signal. Consequently, a low-speed CCD matrix is used to filter the radiation, and a high-speed optical communication detector is used to receive information.

Claims (16)

1. Способ защиты детектора канала оптической связи приемного устройства систем оптической космической связи от паразитной засветки точечными и протяженными источниками света, содержащий в себе этапы, на которых1. A method for protecting a detector of an optical communication channel of a receiving device of optical space communication systems from parasitic illumination by point and extended light sources, containing the stages at which устанавливают оптический лазерный канал связи между космическими аппаратами, один из которых находится на орбите Земли;establish an optical laser communication channel between spacecraft, one of which is in the Earth's orbit; оптическое излучение фокусируют приемным телескопом, покрытым высокоселективным частотным фильтром, с установленными на нем посредством шарнирных креплений гибкими панелями регулируемой кривизны, управляемыми по сигналам обратной связи с ПЗС-матрицы;the optical radiation is focused by a receiving telescope covered with a highly selective frequency filter, with flexible panels of adjustable curvature mounted on it by means of hinged mountings, controlled by feedback signals from the CCD matrix; сфокусированное излучение делят светоделителем на два пучка: один из них, проходя дальше по оси телескопа, передается на модулятор, другой, отражаясь под углом к оси, поступает на высокочувствительную ПЗС-матрицу;the focused radiation is divided by a beam splitter into two beams: one of them, passing further along the axis of the telescope, is transmitted to the modulator, the other, being reflected at an angle to the axis, enters the highly sensitive CCD matrix; задают соответствие между пикселями ПЗС-матрицы и модулятора так, что каждому пикселю или группе пикселей ПЗС-матрицы соответствует один пиксель модулятора;setting the correspondence between the pixels of the CCD matrix and the modulator so that each pixel or group of pixels of the CCD matrix corresponds to one pixel of the modulator; сигнал с пикселей ПЗС-матрицы направляют на блок управления пространственной селекцией, который задает напряжение на пикселях модулятора;the signal from the pixels of the CCD matrix is directed to the spatial selection control unit, which sets the voltage on the pixels of the modulator; устанавливают детектор канала оптической связи таким образом, что если на пиксели модулятора не подается напряжение, все излучение, отраженное от модулятора, попадает на фоточувствительную площадку детектора канала оптической связи, если на пиксели модулятора подается максимально возможное напряжение, то излучение с них не попадает на фоточувствительную площадку указанного детектора, при этом если уровень освещенности на определенном пикселе или группе пикселей ПЗС-матрицы превышает заданный, то на соответствующий пиксель модулятора подают высокое напряжение, и излучение с него не попадает на детектор канала оптической связи.the detector of the optical communication channel is installed in such a way that if no voltage is applied to the pixels of the modulator, all the radiation reflected from the modulator falls on the photosensitive area of the detector of the optical communication channel; if the maximum possible voltage is applied to the pixels of the modulator, then the radiation from them does not fall on the photosensitive the area of the specified detector, in this case, if the illumination level at a certain pixel or group of pixels of the CCD matrix exceeds a given one, then a high voltage is applied to the corresponding pixel of the modulator, and the radiation from it does not fall on the detector of the optical communication channel. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что содержит дополнительный этап, на котором производят слежение за областями высокой освещенности ПЗС-матрицы компьютерными методами и исключают область, соответствующую излучению передающего лазера системы оптической связи.2. The method according to claim. 1, characterized in that it contains an additional stage, which makes tracking the areas of high illumination of the CCD matrix by computer methods and excludes the area corresponding to the radiation of the transmitting laser of the optical communication system. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве модулятора используется микрозеркальный модулятор.3. The method according to claim 1, characterized in that a micromirror modulator is used as the modulator. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве модулятора используется пространственный модулятор света на жидких кристаллах.4. The method according to claim 1, characterized in that a liquid crystal spatial light modulator is used as the modulator. 5. Способ по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что светоделитель делит излучение на пучки неравной интенсивности.5. The method according to claim 1, or 2, or 3, characterized in that the beam splitter divides the radiation into beams of unequal intensity. 6. Способ по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что светоделитель делит излучение на пучки равной интенсивности.6. The method according to claim 1, or 2, or 3, characterized in that the beam splitter divides the radiation into beams of equal intensity. 7. Система защиты детектора канала оптической связи, реализующая способ по п. 1, содержащая установленный на космическом аппарате фокусирующий излучение приемный телескоп, покрытый высокоселективным частотным фильтром, подавляющим все длины волн за исключением узкого диапазона значений около несущей длины волны излучения оптического передатчика системы связи с установленным на входной зрачок узкополосным интерференционным фильтром и установленными посредством шарниров гибкими панелями регулируемой кривизны, управляемыми по сигналам обратной связи с ПЗС-матрицы (1), светоделитель (3), осуществляющий разделение сфокусированного излучения на два пучка, ПЗС-матрицу (4), на которую поступает первый пучок излучения из указанного светоделителя (3), блок управления пространственной селекцией (7), на который передается сигнал с ПЗС-матрицы (4), модулятор (6), получающий управляющий сигнал с блока управления пространственной селекцией (7), и детектор канала оптической связи (5), на который передается второй пучок излучения, переданный из указанного светоделителя (3) и отраженный от модулятора (6).7. The protection system of the detector of the optical communication channel, which implements the method according to claim 1, comprising a focusing radiation receiving telescope installed on the spacecraft, covered with a highly selective frequency filter that suppresses all wavelengths except for a narrow range of values near the carrier wavelength of the optical transmitter of the communication system with a narrow-band interference filter installed on the entrance pupil and flexible panels of adjustable curvature installed by means of hinges, controlled by feedback signals from the CCD matrix (1), a beam splitter (3), which separates the focused radiation into two beams, a CCD matrix (4), into which receives the first beam of radiation from the specified beam splitter (3), the spatial selection control unit (7), to which the signal from the CCD matrix (4) is transmitted, the modulator (6), receiving the control signal from the spatial selection control unit (7), and optical communication channel detector (5), to which in front of The second radiation beam is transmitted, transmitted from the specified beam splitter (3) and reflected from the modulator (6). 8. Система по п. 7, отличающаяся тем, что в качестве модулятора используется микрозеркальный модулятор.8. The system according to claim 7, characterized in that a micromirror modulator is used as the modulator. 9. Система по п. 7, отличающаяся тем, что поверхность зеркал микрозеркального модулятора установлена таким образом, чтобы она совпадала с фокальной плоскостью объектива телескопа.9. The system of claim. 7, characterized in that the surface of the mirrors of the micromirror modulator is installed so that it coincides with the focal plane of the telescope objective. 10. Система по п. 7, отличающаяся тем, что вместо микрозеркального модулятора используется пространственный модулятор света на жидких кристаллах.10. The system of claim. 7, characterized in that instead of the micromirror modulator, a spatial light modulator based on liquid crystals is used.
RU2020120672A 2020-06-22 2020-06-22 Method and system for protection of optical communication channel in space optical communication systems from flashing with point and extended light sources RU2751989C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020120672A RU2751989C1 (en) 2020-06-22 2020-06-22 Method and system for protection of optical communication channel in space optical communication systems from flashing with point and extended light sources

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020120672A RU2751989C1 (en) 2020-06-22 2020-06-22 Method and system for protection of optical communication channel in space optical communication systems from flashing with point and extended light sources

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2751989C1 true RU2751989C1 (en) 2021-07-21

Family

ID=76989528

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020120672A RU2751989C1 (en) 2020-06-22 2020-06-22 Method and system for protection of optical communication channel in space optical communication systems from flashing with point and extended light sources

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2751989C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2803762C2 (en) * 2022-02-23 2023-09-19 Владимир Эльич Пашковский Method for ensuring telescope operation and device for its implementation
WO2023163617A3 (en) * 2022-02-23 2023-11-02 Владимир Эльич ПАШКОВСКИЙ Method and device for supporting the operation of a telescope

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1305197A (en) * 1969-09-11 1973-01-31
US6199988B1 (en) * 1998-03-26 2001-03-13 Alcatel Retractable device, of the light shield type, for an optical instrument such as a space telescope
US20020071185A1 (en) * 2000-12-07 2002-06-13 Jean-Loup Chretien System and method for dynamic optical filtration
US20110037003A1 (en) * 2009-08-12 2011-02-17 Raytheon Company Multi-axis articulated solar light shade for space-based sensors
US20150146288A1 (en) * 2011-02-25 2015-05-28 Utah State University Research Foundation Multiple petal deployable telescope
RU169980U1 (en) * 2016-08-22 2017-04-11 Открытое акционерное общество "НПО "Геофизика-НВ" Matrix Optical Flux Attenuator

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1305197A (en) * 1969-09-11 1973-01-31
US6199988B1 (en) * 1998-03-26 2001-03-13 Alcatel Retractable device, of the light shield type, for an optical instrument such as a space telescope
US20020071185A1 (en) * 2000-12-07 2002-06-13 Jean-Loup Chretien System and method for dynamic optical filtration
US20110037003A1 (en) * 2009-08-12 2011-02-17 Raytheon Company Multi-axis articulated solar light shade for space-based sensors
US20150146288A1 (en) * 2011-02-25 2015-05-28 Utah State University Research Foundation Multiple petal deployable telescope
RU169980U1 (en) * 2016-08-22 2017-04-11 Открытое акционерное общество "НПО "Геофизика-НВ" Matrix Optical Flux Attenuator

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2803762C2 (en) * 2022-02-23 2023-09-19 Владимир Эльич Пашковский Method for ensuring telescope operation and device for its implementation
WO2023163617A3 (en) * 2022-02-23 2023-11-02 Владимир Эльич ПАШКОВСКИЙ Method and device for supporting the operation of a telescope

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Baranec et al. Bringing the visible universe into focus with Robo-AO
EP4042094B1 (en) Atmospheric jitter correction and target tracking using single imaging sensor in high-energy laser systems
EP0607906B1 (en) Alignment adjusting system for use in optical system of optical transceiver
Tokovinin et al. SOAR Adaptive Module (SAM): seeing improvement with a UV laser
JP6981747B2 (en) Systems and methods for protection against high radiant flux light based on flight time
US11900562B2 (en) Super-resolution automatic target aimpoint recognition and tracking
CN111913189B (en) Light emitting device and imaging device based on wavefront detection
RU2751989C1 (en) Method and system for protection of optical communication channel in space optical communication systems from flashing with point and extended light sources
Bennet et al. Adaptive optics for satellite imaging and space debris ranging
KR20220054327A (en) Device for capturing long-exposure images
US9871979B2 (en) Systems and methods for illumination and observation
US6818876B1 (en) Scintillation-immune adaptive optics reconstructor
Tokovinin et al. Design of ground-layer turbulence compensation with a Rayleigh beacon
CN1777063A (en) Acquisition System of Satellite Laser Communication Terminal
Copeland Satellite and debris characterisation with adaptive optics imaging
JP5278890B2 (en) Light capture and tracking device
Mohageg et al. Minimizing effect of Sun-Earth-probe angle for RF/optical hybrid telescope
Zovaro et al. Harnessing adaptive optics for space debris collision mitigation
US6700108B2 (en) Means for protecting optical focal plane sensor arrays against excessive irradiation
Kovalik et al. Optical communications telescope laboratory (OCTL) support of space to ground link demonstrations
CN118921105B (en) An integrated system for super-resolution imaging and ranging communication of space-based space targets
RU206707U1 (en) Day / night binoculars with mirror lens
US20230345131A1 (en) System and method for telescopic imaging of dim objects near bright objects
US11618594B2 (en) System and method for daylight imaging of high altitude objects
Lim et al. Development of Adaptive Optics System for the Geochang 100 cm Telescope